Réfraction et dispersion de la lumière

2nde – Chap. 03 - Réfraction et dispersion de la lumière
I ) Les phénomènes de réfraction et de réflexion :
1) Expérience :
Placer une pièce dans le fond d’une coupelle opaque.
Placer son œil de façon limite à ce que la pièce ne soit pas
visible.
Verser doucement de l’eau dans la coupelle sans déplacer
la pièce jusqu’à 1 cm du bord. Qu’observe-t-on ?
Schématiser l’expérience avant et après l’ajout d’eau en
représentant le trajet de la lumière venant de la pièce vers l’œil avec des lignes fléchées.
La surface de l’eau dévie la lumière de la pièce vers l’œil
2) Passage de la lumière de l’air dans le verre
- Envoyer un faisceau de lumière sur un demi-cylindre de verre en faisant passer le pinceau
lumineux de l’air dans le verre.
90°
- Réaliser les mesures nécessaires pour compléter le tableau.
angle
0° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
d’incidence i1
angle de
0
20
26
31
36
39
41
i1’
i2
réfraction i2
0
angle de
0
30
40
50
60
70
70
i1
milieu 2
réflexion i1’
verre
0
milieu 1
air
Interprétation :
- Tracer et nommer les différents rayons.(sur le schéma)
en choisissant parmi : incident, réfléchi et réfracté
- Comparer i1 et i2 ; puis i1 et i1’. i1 > i2 et i1 = i1’
- Comment s’appellent les deux phénomènes observés ?
réflexion et réfraction
- Ces deux phénomènes sont-ils toujours visibles ? Oui
La réfraction est le changement de direction de propagation d’une lumière passant d’un milieu à
un autre.
II ) Mise en évidence de la réflexion totale.
- Reprendre l’expérience précédente en faisant passer le rayon
lumineux du verre dans l’air.
- Réaliser les mesures nécessaires pour compléter le tableau.
angle
0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
d’incidence i1
angle de
0
15 31 48 73,5
X
X
réfraction i2
90°
milieu 1
verre
i1’
0
i1
Les phénomènes de réflexion et de réfraction sont-ils toujours observés ?
Au-delà de 42,5°, il n’y a plus de réfraction, la réflexion est totale
i2
milieu 2
air
90°
0
III ) Lois de Snell-Descartes :
1) Schéma
rayon incident
angle d’incidence
iair
2) Indice de réfraction :
On appelle milieu transparent tout corps qui
laisse passer la lumière.
Exemples : verre, air, Plexiglas, eau,…
air (n1)
I
eau (n2)
surface de séparation
Pour une radiation donnée, tout milieu
dioptre
transparent et homogène est caractérisé par
un indice de réfraction, noté n définit par :
ieau rayon réfracté
n=c/v
n sans dimension
angle de réfraction
c : célérité de la lumière dans le vide
v : vitesse de la lumière dans ce milieu, dépend de la longueur d’onde.
(Pour une radiation D du sodium de longueur d’onde 590 nm)
milieu
vide
air
eau
éthanol
verre
indice n
1
1,00
1,33
1,36
1,5
plexiglas
1,5
diamant
2,42
Remarque : La vitesse de la lumière est toujours supérieure dans le vide que dans un autre
milieu. Par conséquent, un indice n est toujours supérieur à 1. n >1
3) Lois :
Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le plan d’incidence.
Relation entre les angles d’incidence et de réfraction : n1 x sin i1 = n2 x sin i2
où n1 et n2 sont les indices de réfraction des milieux 1 et 2.
animation : réfraction_réflexion.swf
lumière
blanche
IV ) Dispersion de la lumière blanche par un prisme:
La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette.
prisme
La face d’entrée du prisme crée une 1ère déviation, puis la face
de sortie en crée une 2ème.
La lumière blanche est un rayonnement polychromatique, constituée de radiation
monochromatiques de différentes couleurs dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400
nm et 800 nm
L’indice de réfraction du verre dépend de la longueur d’onde de la radiation qui le traverse.
Si n varie, la déviation sera légèrement différente.
Plus la longueur d’onde λ est grande, plus la déviation est faible , et inversement.
Le prisme permet de dévier sélectivement une radiation en fonction de sa longueur d’onde.
V) Phénomènes lumineux dus à la réfraction :
L’arc-en-ciel est du à la dispersion de la lumière
balnche du soleil dans les gouttes de pluie.
Les mirages sont dus à la courbure de la lumière du
ciel (bleu) . Cette lumière subit de multiples
réfraction sur les couches d’air de différentes températures et se courbe.